РОЗРОБКА ПРИСТРІЙ ДЛЯ ВИМІРЮВАННЯ ЩІЛЬНОСТІ СИПУЧИХ ТІЛ - Фундаментальні дослідження (науковий
У сучасному промисловому виробництві та сільському господарстві широко застосовуються речовини в сипучому стані, що є сукупністю великої кількості твердих частинок, простір між якими заповнено газом.
Виробничий контроль щільності речовин, що є гетерогенною системою, що складається з різних за фізичними властивостями фаз, актуальний для багатьох виробництв. Найбільш поширені гетерогенні системи, що містять тверду та газову фази. До таких систем відносяться, наприклад, сипкі, волокнисті та пористі матеріали. Щільність будь-якого матеріалу, незалежно від агрегатного стану, є однією з основних фізичних характеристик. Завдання контролю густини твердої фази гетерогенних систем значно складніше завдання контролю густини однорідних середовищ [3].
Властивості та поведінку сипких тіл необхідно враховувати при здійсненні низки механічних процесів – подрібнення, гранулювання, транспортування та зберігання. Нехтування або недорахування властивостей сипучих матеріалів призводить до порушення технологічного режиму, погіршення якості продукції, порушення режимів роботи обладнання. Тому необхідно пам'ятати, що випуск продукції високої та стабільної якості залежить не тільки від використання сучасного технологічного обладнання, а й від методів отримання оперативної інформації про склад та властивості використовуваних речовин.
Для оцінки сипких матеріалів використовують низку непрямих характеристик, властивих сипучих матеріалів як дисперсним. До таких характеристик, не пов'язаних з певною щільністю упаковки частинок, відносяться ущільнюваність, плинність, сипкість, слипання, кути природного укосу та обвалення [2, 5]. Ці характеристики залежать одночасно від аутогезійних та фрикційних властивостей, а такожвід густини сипких матеріалів (рис. 1).
Мал. 1. Вплив щільності сипких матеріалів на різні технологічні процеси
Таким чином, властивості сипких матеріалів характеризуються рядом показників, з яких найбільш інформативним та важливим є щільність. Вона залежить від вологості, величини частинок та співвідношення різних фракцій. Знання щільності необхідне для вимірювання теплофізичних властивостей сипучих матеріалів різного призначення. Крім того, щільність істотно впливає на різні технологічні процеси [3, 6].
Вимірювання густини твердих тіл значно складніше, ніж рідин, тому що виміряти об'єм тіла, обмежений поверхнею неправильної форми, важко. Крім того, на поверхні та в обсязі твердого тіла завжди є дефекти. Методи визначення щільності твердих тіл ґрунтуються найчастіше на зануренні тіла в рідину з відомою щільністю - воду або органічний розчинник (етанол, гексан, тетрахлорид вуглецю та ін) та розрахунку обсягу витісненої досліджуваним тілом рідини. Робоча (пікнометрична, або імерсійна) рідина не повинна взаємодіяти з речовиною, що вивчається. Для отримання точних результатів імерсійна рідина повинна мати велику густину і добре змочувати поверхню речовини. При вимірюваннях необхідно ретельне видалення бульбашок повітря з поверхні зразка. Хороші результати виходять у разі вимірювання густини монокристалів, що мають правильну форму.
Тверді тіла зазвичай менш однорідні, ніж рідини. У разі сипучої речовини між її частинками залишається повітря, яке дуже важко видалити.
Так, відомо пристрій, що містить ємність з контрольованою речовиною, до верхньої частини якої приєднаний циліндр з поршнем і підключений вимірювачтиску [4]. Недоліком цього пристрою є складність розрахунку щільності та використання рівняння стану ідеального газу.
Метою роботи є розробка зручного в експлуатації та обслуговуванні пристрою для експрес-вимірювань щільності сипких тіл та удосконалення пристроїв даного типу. Технічним результатом винаходу є підвищення точності та забезпечення оперативності вимірювань.
Технічний результат досягається тим, що пристрій для вимірювання щільності сипких тіл, що включає два однакових за обсягом циліндричних судини з вбудованими рухомими поршнями, що містять шкали, один з яких служить для приміщення досліджуваної навішування, і з'єднані між собою трубками, що підводять у вигляді колін з встановленої між ними контрольною трубкою, внизу якої розміщений кран для випуску рідини з системи, при цьому трубопровід, що з'єднує між собою труби, що підводять і контрольну, з'єднаний гнучким шлангом з компенсуючим судиною.
При цьому діаметри і довжини підводять трубок однакові, а циліндричні судини закриті герметичними кришками, що згвинчуються і забезпечені кранами для сполучення з атмосферою.
Обсяг досліджуваного тіла визначається безпосередньо методом порівняння з компенсуючим об'ємом у певному діапазоні тисків у єдиному вимірювальному процесі.
Мал. 2. Схема пристрою вимірювання щільності сипких тіл
На рис. 2 зображено схему пристрою для вимірювання щільності сипких тіл.
Пристрій [1] складається з мають однакові об'єми циліндричних судин 1 і 2, закритих герметичними кришками, що згвинчуються 3 і 4 з вбудованими рухомими поршнями 5 і 6 і шкалами 15 і 16. Судини мають крани 7 і 8 для сполучення з атмосферою. Кран 9 служить для випуску рідини зсистеми. Зміна рівня рідини відбувається при переміщенні по вертикалі посудини 10, з'єднаної з системою гнучким шлангом 11. Контрольна трубка 12 служить для запобігання попаданню рідини в циліндричні судини 1 і 2. Довжини і діаметри трубок, що підводять, 13 і 14 однакові, так що з однакових колін.
Принцип роботи пристрою полягає в наступному.
Відкручується кришка 4, і в посудину 2 міститься тіло, що досліджується. Поршень 5 встановлюється так, щоб обсяги 1 та 2 були однаковими. Крани 7 та 8 відкриті, в циліндричних судинах 1, 2 атмосферний тиск. Посудина 10 опускається до нульового рівня і система заповнюється рідиною. Переміщенням судини 10, в якому підтримується атмосферний тиск, встановлюється нульовий рівень рідини в трубках, що підводять 13 і 14. Закриваються крани 7 і 8. Судина 10 переміщається вгору; при цьому відбувається стиск газу в судинах 1 і 2 і рідина в трубках 13 і 14 піднімається на висоту H1 і H2 відповідно. Вимірювання повторюють, щоразу зменшуючи обсяг судини 1 переміщенням поршня 5 вздовж мірної шкали 15, і домагаються рівності висот H1 і H2 для будь-яких допустимих значеннях тисків, створюваних переміщенням судини 10. Об'єм досліджуваного тіла V дорівнює зменшенню об'єму в циліндричному шкалою 15.
Щільність обчислюється після визначення маси тіла зважуванням за формулою
де m - Маса тіла, г; V - об'єм тіла, см3.
Поршень 6 служить для попереднього точного зрівнювання обсягів, займаних газом у лівій та правій гілках пристрою, у разі потреби (встановлення нуля). Для цього поршень 5 виставляється на нуль 15 шкали і проводяться описані вище вимірювання, без приміщення в посудину 2 вимірюваного тіла. Якщо рівнірідини в трубках, що підводять 13 і 14 при стисканні газу виявляються різними, їх вирівнюють переміщенням поршня 6. Надалі положення поршня 6 не змінюється. Його положення реєструється за шкалою 16.
Перевагою пристрою є те, що методом компенсації здійснюється безпосереднє визначення обсягу без обчислень. При цьому не потрібно знання атмосферного тиску та рівняння стану газу. Порівняння обсягів проводиться в ході одного виміру для різних тисків, що підвищує точність та знижує вплив неізотермічності.
Заявляється технічне рішення реалізовано з використанням засобів, що промислово випускаються, і може бути виготовлено в лабораторних і промислових умовах.
Публікацію підготовлено в рамках Програми розвитку діяльності студентських об'єднань «Інтеграція студентів у міжнародне студентство як інструмент підвищення конкурентоспроможності України в глобальному світі», що реалізується за підтримки Міністерства освіти і науки України (за 2015 рік).